JPS6262305A - Ｙ分岐光導波路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の要約 第１の３次元光導波路と、この第１の３次元光導波路の
終端に設けられた低屈折率部と、この低屈折率部に続き
かつ第１の３次元光導波路に対して７字形に分岐した第
２および第３の３次元光導波路とが基板に形成されてい
るＹ分岐光導波路。

［技術分野］ この発明は、先導波路技術、光集積回路技術において有
用なＹ分岐光導波路に関する。

［従来技術］ 基板上に形成される分岐光導波路としては。

Ｌ　ｉＮ　ｂ　Ｏａ基板上にＴｉの熱拡散により作製さ
れたシングル・モードＹ分岐光導波路が知られている。

このＹ分岐光導波路は２文字通り、平面からみて７字形
であり、光導波路の巾、深さはともに数μｍ程度である
。この光導波路と基板との間の屈折率差は１０−３程度
で２分岐角度は１°〜２″である。

このようなＹ分岐光導波路においては、上記のように先
導波路部分と基板との間の屈折率差が小さいので分岐角
度を大きくとることはできない。

光は直進する性質をもつために１分岐角度を大きくする
と分岐部における損失が増大する。西原。

春名、栖原共著「光集積回路」、昭和６０年２月２５日
−オーム社発行の第４３頁には、Ｔｉ拡散Ｌ　ｓ　Ｎ　
ｂ　Ｏａ　Ｙ分岐光導波路における分岐角と分岐光出力
との関係の計算結果の一例がグラフで示されている。こ
れによると２分岐角度が２．５’で放射損失は３ｄＢに
もなる。

Ｙ分岐光導波路ではこのように大きな分岐角度が得られ
ないから、その２つの分岐光導波路間の間隔を大きく７
するためには、距離を長くとることが必要となる。Ｙ分
岐光導波路を多段に接続して数多くの分岐光を得ようと
する場合には、きわめて長い距離が必要となり、ディバ
イス長が長くなるという問題がある。

［発明の目的］ この発明は、大きな分岐角度が得られかつ比較的低損失
のＹ分岐光導波路を提供する。

［発明の構成と効果］ この発明によるＹ分岐光導波路は、第１の３次元光導波
路と、この第１の３次元光導波路の終端に設けられた低
屈折率部と、この低屈折率部に続きかつ第１の３次元光
導波路に対して７字形に分岐した第２および第３の３次
元光導波路とが基板に形成されていることを特徴とする
。

第１の３次元光導波路を伝播してきた光は低屈折率部に
出射し、ここでは横方向への光の閉じ込め効果がないの
で、光は基板内で回折により広がる。広がった光が少し
進むと第２および第３の３次元光導波路による高屈折率
部分があるためにこれらの部分に光のパワーが集中する
ようになり。

結局、光は第２および第３の先導波路に分岐して進むこ
とになる。

このようにして、比較的低損失でがっ・比較的大きな分
岐角度をもっＹ分岐光導波路が得られる。

これにより、このＹ分岐光導波路を用いて光ディバイス
を作製した場合にはその光ディバイスの寸法を小さくす
ることができる。とくに、このＹ分岐光導波路を多段に
接続して数多くの分岐光を得るような場合に有効である
。

光は双方向性をもつから、第２．第３の先導波路を分岐
部に向って伝播してきた光は、低屈折率部を経て第１の
先導波路に向う。したがって、この発明によるＹ分岐光
導波路は、２つ以上の光を合波するためにも使用可能で
ある。

［実施例の説明］ 第１図において、基板９上に第１の３次元光導波路１と
この光導波路１の終端がら７字状に分岐した第２．第３
の３次元光導波路２，３とが形成されている。そして、
このＹ分岐部において平面からみて三角形状の低屈折率
部分４が形成されている。低屈折率部４の一辺は光導波
路１の長手方向に対して垂直にこれを横切っている。

具体的には、光導波路１，２．３および低屈折率部４は
、−例として次のようにして作製される。

基板９としてＹカットＬ　Ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏａを用い、こ
の基板９表面上にＴｉを３００人の厚さにスパッタし、
リフトオフ法によって先導波路１，２．３と同パターン
のＴｉパターンを形成する。次にＭｇＯを厚さ３００人
に基板９上にスパッタし。

リフトオフ法で低屈折率部４と同じパターンのＭｇＯパ
ターンを形成する。この後、温度９７０℃、ウェット０
２雰囲気中で５時間、ＴｉおよびＭｇＯを基板９中に熱
拡散することにより先導波路１，２．３および低屈折率
部４がつくられる。

Ｔｉの拡散したところは屈折率が１０−３程度上昇し先
導波路１〜３となる。ＭｇＯを拡散したところは逆に屈
折率が１０−３程度低下し、低屈折率部となる。これら
の３次元光導波路１，２．３の巾は約４μｍ、深さも約
４μｍで、シングル・モード光導波路である。ＴＥモー
ドの光を基板９のＸ方向に伝搬させると先導波路１〜３
の等価屈折率は２．２となる。光導波路１〜３と低屈折
率部４との屈折率差は１０〜１ｏ−２程度となる。

低屈折率部分４では横方向への光の閉じ込め効果は無い
から、第１の３次元光導波路１を伝搬してきた光は、そ
の終端にくると（ラインＡ）、開口からの出射光と同じ
ように角度λ／Ｄで広がる（回折）。ここでλは光の波
長、Ｄは光導波路中である。この光は、低屈折率部４を
広がりながら進んでいくが、第２．第３の先導波路２，
３による高屈折率部分があるために、ここに光のパワー
が集中するようになる（ラインＢ）。光がさらに進むと
光の界分布はさらに広がり２つのピークをもつようにな
る。この界分布は先導波路２，３におけるモードの界分
布と重なるようになり、光パワーは第２．第３の光導波
路２，３に分離して伝搬していく。

以上のようにして、Ｙ分岐部での光の界分布を広げるこ
とで低損失化と大分岐角度化が図られる。

第２図はこの発明の他の実施例を示している。

ここでは、ＭｇＯの拡散ではなく凹部（または溝、穴）
５を形成することにより低屈折率部（屈折率１）を作製
している。この凹部５は次のようにして形成される。四
部５を形成すべき部分以外の基板９全表面に、厚さ２０
００人のＴｉマスクをスパッタ法により形成する。そし
て、アルゴン・イオンのスパッタにより凹部５を作製す
る。凹部５の深さは光導波路１〜３の深さ以上が好まし
い。

このスパッタリングにおいて、ガス圧１０−’Ｔｏｒｒ
。

加速電圧１　ｋＶとすると、１時間に深さ約２．５μｍ
のスパッタ・レートで凹部を掘ることができる。

掘る速度、すなわちスパッタ・レートを上げるために酸
素を導入してもよい。

基板材料、光導波路や低屈折率部の作製方法は任意に選
択できるのはいうまでもない。たとえばガラス先導波路
などに対してもこの発明は適用可能である。

第３図は、この発明によるＹ分岐光導波路を光Ａ／Ｄ変
換装置に適用したものである。

光を利用した光Ａ／Ｄ変換装置は、比較的簡単な構成で
かつ高速のサンプリング（１〜２Ｇサンプル／秒）が期
待できることから、多くの人の注目を集めている。光Ａ
／Ｄ変換装置の代表例が。

上述の文献第３５８〜３６１頁に示されている。第３図
の装置はこれを改良したものである。

電気光学効果を有する基板１０．たとえばＹカットＬ　
ｉＮ　ｂ　Ｏｓ結晶の表面′に、この発明による３つの
Ｙ分岐光導波路１１−１３と４つの分岐干渉型光変調器
（マツハツエンダ型光導波路２１〜２４を含むもの）と
が設けられている。また、基板１０の入力側端面には光
源としての半導体レーザ５０が設けられてる。

第１のＹ分岐光導波路１１の各構成要素、すなわち第１
〜３の光導波路および低屈折率部には便宜的に第１図に
示すものと同一符号が付けられている。半導体レーザ５
０から出射した光は、第１の光導波路１に入射し、第２
．第３の光導波路２，３にほぼ等しい強度で分岐される
。

第２のＹ分岐光導波路１２を進む光はさらに１強度のほ
ぼ等しい２つの光に分岐されて、その分岐光導波路（第
２．第３の光導波路）に接続された２つの分岐干渉型光
変調器（マツノ１ツエンダ型光導波路２１．２２をそれ
ぞれ含む変調器）に入射する。

同じように、第３の光導波路３に進んだ光も。

第３のＹ分岐光導波路１３によって強度のほぼ等しい２
つの光に分岐し、２つの分岐干渉型光変調器（マツハツ
エンダ型光導波路２３．２４）に伝播していく　。

このようにして、３つのＹ分岐光導波路１１〜１３を組
合せることにより、１つの入射光が強度のほぼ等しい４
つの光に分岐される。この発明によるＹ分岐光導波路で
は分岐角が大きくとれるので。

基板１０上の光を分岐させる部分の長さをきわめて短く
することができる。

分岐干渉型光変調器の１つはマツハツエンダ型光導波路
２１を含んでいる。このマツハツエンダ型光導波路２１
の入力側はＹ分岐光導波路１２の１つの出力側に連続的
に接続されている。またマツノ１ツエンダ型光導波路２
１の出力側は基板１０の端面にまでのびている。このマ
ツハツエンダ型光導波路２１の１つの光導波路を挟むよ
うに１対の電極３１が設けられ、さらに別の場所に同じ
ように位相調整用電極４１が設けられている。

他の分岐干渉型光変調器もまた全く同じ構成であり、マ
ツハツエンダ型光導波路２２〜２４．これらのマツハツ
エンダ型光導波路の１つの光導波路を挟むように設けら
れた電極３２〜３４および位相調整用電極４２〜４４か
らそれぞれ構成されている。

マツハツエンダ型先導波路２１〜２４のＹ分岐部分にも
この発明が適用され、低屈折率部分４が設けられている
。

基板１０上にはさらに光起電力素子３Ｂが設けられ、上
述の各１対の電極３１〜３４がこの光起電力素子３６の
再出力端に配線パターン３５により接続されている。光
起電力素子３ＢにはＡ／Ｄ変換されるべき光信号が照射
される。したがって、電極３１〜３４には光起電力素子
３Ｂの出力すなわちこの光信号の強度に対応する電圧が
印加される。１対の電極３１の光導波路２１を挾んで重
なり合っている部分の長さをＬとすると、他の電極３２
，３３．３４の同部分の長さはそれぞれＬ／２．Ｌ／４
．Ｌ／８に設定されている。

基板１０の出力側の端面には、マツハツエンダ型光導波
路２１〜２４の出力端から出射する光の強度をこれに対
応する値を表わす電気信号にそれぞれ変換するための光
電変換素子５１〜５４．たとえばフォトディテクタ・ア
レイが設けられている。これらの素子５１〜５４の出力
信号は増幅器６１〜６４にそれぞれ送られ、さらにコン
パレータ７１〜７４に導かれる。

マツハツエンダ型先導波路２１に入力した光はその２つ
の光導波路に分れて進み、その出力側で再び合波する。

一方の先導波路を伝播する光は２つの電極３１．４１に
印加された電圧に応じて位相が変化する。したがって、
マツハツエンダ型光導波路２１の出力側で合波された光
の強度は、一方の光の位相変化量δに応じて変化する。

、一般に、印加電圧をＶ、電極間隔をｄとすると、先導
波路を［１］方向に横切る方向に発生する電界の強さは
Ｖ／ｄで与えられる。電極の長さがで、電界方向がＺ方
向であるならば、ＬｉＮｂＯ３結晶の場合には。

光の位相変化量δはδ−ｎｅ　・γ３３・Ｖ−（／２ｄ
で与えられる。ここでｎ　は基板の異常屈折率、γ３３
は電気光学定数である。

マツハツエンダ型先導波路２１において、電極３１間に
電圧Ｖが印加されると、電圧が印加された先導波路を伝
播する光に位相変化が現われ、それはｎｅ３・γ３３・
Ｖ−Ｌ／２ｄで与えられる。位相調整用電極４１には適
当なバイアス電圧が加えられ、■−０での光の位相が適
切になるように構成されている。先導波路２１の出力光
は光電変換素子５１で電気信号に変換され、増幅器８１
で増幅されたのち、コンパレータ７１で適当なスレシホ
ールド・レベルで弁別することにより２値化される。

マツハツエンダ型光導波路２２の一方の先導波路両側に
設けられた電極３２の長さはＬ／２であり。

電極３１の長さの１７２であるから、この光導波路の光
の位相変化量はｎｅ　・γ３３・Ｖ−Ｌ／４ｄとなる。

したがって、マツハツエンダ型先導波路２２の出力光か
ら得られる２値化信号の周期はマツハツエンダ型先導波
路２１の出力光のそれの２倍となる。この場合にももち
ろん１位相調整用電極４２間に適当なバイアスが加えら
れている。

同様にしてマツハツエンダ型先導波路２３の一方の先導
波路を挟む電極３３の長さはＬ／２２であり、もう１つ
のマツハツエ“ンダ型光導波路２４の電極３４の長さは
Ｌ／２３であるから、これらの先導波路２３．２４の出
力光から生成される２値化信号の周期は、先導波路２１
の出力光から生成される２値化信号の周期の２．２３倍
となる。

これらの２値化信号（１または０）を先導波路２１の出
力光の半周期ごとに印加電圧の大きさに対して示すと次
表のようになる。

光起電力素子３Ｇに入射する光の強度が表わすアナログ
信号がこの表のようなグレーコードのディジタル値に変
換され、かつこのディジタル値はアナログ光信号を一義
的に表わしていることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す斜視図、第２図はこの
発明の他の実施例を示す斜視図、第３図はこの発明によ
るＹ分岐光導波路を光Ａ／Ｄ変換装置に適用した例を示
す斜視図である。 １・・・第１の先導波路、　　２・・・第２の光導波路
。 ３・・・第３の光導波路、　　４・・・低屈折率部。 ５・・・凹部（低屈折率部）。 １１．１２．１３・・・Ｙ分岐光導波路。 以　　上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の３次元光導波路と、この第１の３次元光導波路の
   終端に設けられた低屈折率部と、この低屈折率部に続き
   かつ第１の３次元光導波路に対してＹ字形に分岐した第
   ２および第３の３次元光導波路とが基板に形成されてい
   るＹ分岐光導波路。